近日，南方科技大学物理系、量子功能材料全国重点实验室朱金龙副教授课题组与合作者在拓扑绝缘体高压物理领域取得研究进展。团队在拓扑绝缘体Bi2Se3中首次实现了在不破坏其拓扑非平庸晶体结构（R-3m相）的前提下诱导出超导电性，揭示了压力均匀性是超导与拓扑性共存的关键调控因素。相关成果以"Hydrostatic Pressure-Induced Superconductivity in the Topological Phase of Bi2Se3"为题发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）。

在拓扑绝缘体中引入超导电性同时保持其非平庸能带拓扑，是实现拓扑超导和马约拉纳零能模的重要途径。Bi2Se3是典型的三维拓扑绝缘体，具有较大的体带隙和单一狄拉克锥表面态。现有研究表明，Cu插层Bi2Se3（CuxBi2Se3）虽可实现超导，但超导仅存在于极窄的铜含量窗口内，且化学插层不可避免地会引入无序与不均匀成分。此前非静水压条件下的研究结果均证实，只有当R-3m相转变为高压单斜（C2/m）相之后才出现超导现象。超导能否在保持拓扑R-3m相时产生，一直是该领域悬而未决的问题。

针对这一问题，团队制备了Bi2Se3纳米片与块体单晶，在金刚石对顶砧中分别以Daphne 7373和氩气作为传压介质实现准静水压环境，并结合电输运、霍尔测量、同步辐射X射线衍射、拉曼光谱和第一性原理计算开展系统研究。

图1.氩气传压中的压致超导与霍尔效应

电输运测量显示，在准静水压条件下，约56nm厚的Bi2Se3纳米片在2.4 GPa即出现超导转变（起始转变温度约8.1 K）；块体样品表现出更高的压力阈值，其超导转变出现在4.1 GPa（起始转变温度约5.8 K）。此外，采用静水压性能更优的氩气作为传压介质，在2.5GPa下独立复现了该超导转变。霍尔测量在R-3m相低压力区间观测到显著的低磁场非线性霍尔响应。双通道分析分离出迁移率比体通道高一个量级的高迁移率表面导电通道，该结果与拓扑表面态参与输运的图像一致。原位X射线衍射证实，R-3m相稳定至约12GPa，而低温拉曼光谱在约3GPa观测到晶格动力学的细微异常现象，揭示R-3m相内发生了电子结构相变。

图2.电子结构与声子谱计算

第一性原理计算进一步揭示：在静水压下，导带下移、载流子浓度显著增大，费米面处态密度提升，高频声子整体软化使电声耦合增强；而非静水压的各向异性应力抑制载流子浓度增长、削弱电声耦合。三种压力介质中，超导电性均在体载流子浓度接近1020 cm-3时出现，与此前高压C2/m相及铜插层体系报道的临界密度一致，指向共同的浓度阈值。

综上所述，本研究证明在准静水压下，在保持拓扑非平庸R-3m结构相的Bi2Se3中可以产生超导电性；压力均匀性通过调控载流子浓度、电子结构与晶格动力学的演化路径，决定了超导产生的压力条件。该结果为研究超导与非平庸拓扑的相互作用、通过压力或应变工程调控类似物态提供了新的实验依据。

南方科技大学物理系博士生郑群飞、安徽合肥研究院强磁场中心博士生李嘉阳、粤港澳大湾区量子科学中心副研究员赵凌霄为论文共同第一作者。中国科学院强磁场中心郝宁研究员、中国科学院固体物理研究所王培副研究员、朱金龙为论文共同通讯作者。南方科技大学为论文第一单位。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、深圳市科技计划与广东省量子科学战略专项等项目支持。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/accepted/10.1103/nbwq-sx6g